全息交互助力學(xué)生思維可視化

思維是人腦對客觀現(xiàn)實間接的和概括的反應(yīng)，揭示的是事物的本質(zhì)和事物間規(guī)律性的聯(lián)系，這是人與動物的本質(zhì)區(qū)別，傳統(tǒng)教學(xué)注重“感知記憶”，這種方式主要用于訓(xùn)練動物^[1]。當(dāng)今，教師可以應(yīng)用一系列圖示技術(shù)將本來不可視的思維（思考方法和思考路徑）清晰呈現(xiàn)出來，即思維可視化，使教學(xué)重新聚焦在思維層，讓教學(xué)回歸人本教育。思維可視化可以有效提高信息加工及信息傳遞的效能。全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端是人工智能技術(shù)的典型應(yīng)用，屬于人機混合智能的表現(xiàn)，教師可以用其還原物體真實的三維特征（幻影生動逼真），與學(xué)生實時互動。從書本向應(yīng)用技術(shù)環(huán)境轉(zhuǎn)變，從平面向立體，從文本向視窗，這樣的教學(xué)變革有利于學(xué)生思維可視化，幫助他們展示思考過程，深入開展科學(xué)實踐。那么，如何利用全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端結(jié)合思維導(dǎo)圖，開展科學(xué)學(xué)科的思維可視化教學(xué)？筆者對此做了一些研究和探索。

一、激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的興趣

教師必須重視學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的培養(yǎng)，尤其是科學(xué)學(xué)科，更要注意培養(yǎng)學(xué)生持久的學(xué)習(xí)興趣。在科學(xué)課堂上，教師要充分利用學(xué)生的好奇心，激發(fā)學(xué)生對科學(xué)的求知欲。教師呈現(xiàn)與學(xué)生思維階段相適的知識問題，能夠引發(fā)認識沖突，引起學(xué)生強烈的共鳴和解決沖突的愿望，更好地激發(fā)學(xué)生思考的興趣，活化學(xué)生思考過程。

在六年級“化石帶給我們的信息”一課的前測中，筆者了解到學(xué)生知道化石原本是動植物的骨骼，也知道化石是在地下沉積億萬年所形成的。但是怎么挖化石，會挖到什么化石……對學(xué)生而言是新奇的、未知的。于是，筆者利用全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端創(chuàng)設(shè)了挖掘化石的情境體驗。全息情境中有鏟車、錘子、鑿子、護目鏡等工具供學(xué)生選擇。學(xué)生沉浸在挖化石的樂趣中。在學(xué)生選擇工具挖化石時，他們?nèi)绾芜x擇工具、如何挖化石、如何生發(fā)新的問題，都能可視化呈現(xiàn)。當(dāng)學(xué)生挖到硅化木、狼鰭魚等化石時，他們體驗到挖化石帶來的樂趣，同時探究化石的興趣和強烈的學(xué)習(xí)愿望也被激發(fā)，隨之產(chǎn)生了一系列新問題，如“為什么會挖到這些化石”“挖到這些化石說明這里曾經(jīng)是什么樣的環(huán)境”等。

又如，學(xué)習(xí)“呼吸器官”“愛護胃和腸”“人體骨骼”時，學(xué)生對人體的呼吸、消化和運動器官既熟悉又陌生。熟悉的是自己時時刻刻都在呼吸，一日三餐要吃多種食物，肢體運動離不開骨骼。陌生的是呼吸器官和消化器官在人體內(nèi)部，器官結(jié)構(gòu)和相互之間的作用關(guān)系無法直接從外部觀察。學(xué)生對人體器官的有些認識是模糊的或者是錯誤的。在一般的教學(xué)中，教師會提供一些模擬器官，讓學(xué)生進行組合。利用全息交互協(xié)作終端，學(xué)生可以全方位觀察器官或骨骼的結(jié)構(gòu)。學(xué)生自由選擇不同器官、拖動這些器官進行組合時，他們的思維被可視化呈現(xiàn)。學(xué)生組合各個器官后，借助全息交互協(xié)作終端，還可以檢驗組合后的器官能否正常工作。學(xué)生非常享受探究人體器官秘密的樂趣，不斷發(fā)現(xiàn)問題，進而對人體的器官形成比較科學(xué)和系統(tǒng)的認識。

二、引導(dǎo)學(xué)生聯(lián)想和推理

科學(xué)推理能力是科學(xué)素養(yǎng)的重要內(nèi)容之一，是公民在面對社會和個人生活中的科學(xué)問題時做出明智決策的關(guān)鍵能力。應(yīng)用全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端，可以將思考的過程和思考后的結(jié)果呈現(xiàn)出來，構(gòu)建有利于學(xué)生思維發(fā)展的科學(xué)課堂。

在“化石帶給我們的信息”教學(xué)中，教師要引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)挖掘的某一古生物不完整的化石拼出該古生物的骨骼結(jié)構(gòu)，比照挖掘出的同時期其他生物的化石，還原該古生物生活環(huán)境，還要啟發(fā)學(xué)生結(jié)合與現(xiàn)代類似生物的結(jié)構(gòu)與環(huán)境進行聯(lián)想，推理出該古生物為生活在森林中的鳥類。學(xué)生需要建模的思維能力。由于古生物離人們現(xiàn)實生活年代久遠，這樣的建模對學(xué)生來說難度很大。筆者借助全息交互協(xié)作終端和搜集到的相關(guān)資料教學(xué)，讓學(xué)生充分展開想象和思考的空間，可視化地展現(xiàn)他們的聯(lián)想、推理的思維結(jié)果（如圖1）。

學(xué)生嘗試找出導(dǎo)致某種現(xiàn)象或某個事件發(fā)生的原因，但又不能直接觀察，就要進行推理。如果推斷出來的結(jié)論或觀點能夠合理解釋某種現(xiàn)象或某個事件發(fā)生的原因，并與證據(jù)相符，結(jié)論就是合理的。教學(xué)中，筆者引導(dǎo)學(xué)生通過將古鳥的身體結(jié)構(gòu)與生活環(huán)境建立聯(lián)系進行推理。假如它生活在森林中，學(xué)生就要綜合分析森林中古鳥的喙、爪等身體結(jié)構(gòu)的特點。學(xué)生借助平板電腦觀察現(xiàn)實森林中鳥爪的形態(tài)，判斷生活在森林中的古鳥的爪應(yīng)該無蹼。在推測古鳥的形態(tài)結(jié)構(gòu)后，學(xué)生在全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端上點擊古鳥的身體結(jié)構(gòu)按鈕，在屏幕上復(fù)原相應(yīng)的古鳥形態(tài)。

同一全息設(shè)備可以生成4個小組復(fù)原的古鳥形態(tài)。筆者將4個小組復(fù)原的古鳥同時分別放在森林、草原和池塘環(huán)境中，讓學(xué)生觀察四只古鳥能否獲取食物、能否躲避天敵。學(xué)生邊觀察邊交流并發(fā)現(xiàn)問題，在不斷修正古鳥和它們生活的環(huán)境的過程中，學(xué)生的思維更加縝密，推理更有邏輯性。筆者引導(dǎo)學(xué)生加深認識，生物的結(jié)構(gòu)要與生存環(huán)境相適應(yīng)。

全息交互學(xué)習(xí)終端以其獨特的交互性，幫助學(xué)生順利完成聯(lián)想和推理過程，使學(xué)生想象的古鳥形態(tài)立體復(fù)原。接著，學(xué)生細心觀察，描述說明，給出例證，建立聯(lián)系，考慮不同觀點和角度，最終展現(xiàn)古鳥在它們推測的環(huán)境中能否獲取食物、能否躲避天敵。這樣有助于學(xué)生逐步理解環(huán)境與生物結(jié)構(gòu)的關(guān)系——生物的結(jié)構(gòu)要適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。此外，學(xué)生的邏輯、思維、空間建構(gòu)等素養(yǎng)也得到了發(fā)展。

再如，學(xué)習(xí)“日食”時，學(xué)生要建構(gòu)太陽、地球和月球的位置關(guān)系立體模型。筆者指導(dǎo)學(xué)生制作了地日月模型。該模型既可自動實現(xiàn)月、地的運動，演示日地月三者間的相對運動，又可以手動替換連接桿處的齒輪，改變齒輪形狀，以此改變地、月的公轉(zhuǎn)軌道形狀，通過調(diào)節(jié)日、月的支撐軸的傾斜角度，改變模型黃道面與白道面的角度。

學(xué)生利用自制模型分析時，需要在頭腦中構(gòu)建立體模型。學(xué)生空間想象能力參差不齊，用語言很難將頭腦中建構(gòu)的模型描述出來。筆者利用全息交互協(xié)作終端，幫助學(xué)生建構(gòu)空間立體模型。全息終端呈現(xiàn)一些數(shù)據(jù)條，包括地球圍繞太陽轉(zhuǎn)的軌跡、軌道的傾斜角度數(shù)據(jù)。學(xué)生可以推想月球圍繞地球轉(zhuǎn)的軌道是什么形狀的，如圓、橢圓等，根據(jù)自己的想法從圓到橢圓以及改變傾斜角度來調(diào)整數(shù)據(jù)，在全息終端上呈現(xiàn)三球運轉(zhuǎn)動態(tài)模型。每次數(shù)據(jù)調(diào)整都呈現(xiàn)學(xué)生思考的過程，促進學(xué)生逐步深入思考，層層遞進論證。學(xué)生的認識逐步從日地月三者一線即可以出現(xiàn)日食的前概念，向日月地的相對大小和相對運動方式這一科學(xué)概念發(fā)展。

三、全息交互與學(xué)習(xí)單相結(jié)合

如何突出學(xué)生的主體地位，引導(dǎo)學(xué)生主動探究，啟發(fā)學(xué)生積極思考？有效的學(xué)習(xí)單能發(fā)揮學(xué)習(xí)支架的作用，促進學(xué)生學(xué)習(xí)。學(xué)習(xí)單就像一個指路牌，可以提供“做什么”“怎么做”“記什么”“交流什么”等方面的指導(dǎo)，是教師指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)的工具，也是學(xué)生自主探究的階梯。

筆者教學(xué)“化石帶給我們的信息”時，設(shè)計了如圖2所示的學(xué)習(xí)單。學(xué)習(xí)單中間是學(xué)生用挖掘出的化石拼出的古鳥圖片，周圍為引導(dǎo)學(xué)生在觀察古鳥時要記錄的關(guān)鍵點，如環(huán)境、身體結(jié)構(gòu)等。在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生還可以用不同顏色的筆（如紅筆）記錄推理依據(jù)及經(jīng)過思維加工對原始想法修改的過程，實現(xiàn)思維可視化。

教學(xué)中，筆者先引導(dǎo)學(xué)生像化石專家一樣分析鳥化石結(jié)構(gòu)帶給人們的信息。古鳥化石中缺失古鳥的胸骨，化石照片中古鳥的胸骨也是模糊的。學(xué)生最初推測古鳥的胸骨是扁平的，并記錄在學(xué)習(xí)單中。對于化石上看不清楚的結(jié)構(gòu)，學(xué)生想到了與現(xiàn)代鳥的結(jié)構(gòu)相比較。查閱平板電腦上資料，學(xué)生觀察到森林環(huán)境中現(xiàn)代鳥的胸骨是凸起的，并通過視頻看到鳥凸起的胸骨有利于鳥的飛行。學(xué)生還發(fā)現(xiàn)，在全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端選擇胸骨還原鳥類時，如果選擇胸骨是扁平的，顯示的結(jié)果是古鳥飛不起來，被天敵咬死;選擇胸骨是凸起的，顯示的結(jié)果是古鳥飛走，躲避天敵。基于以上分析推理，學(xué)生在學(xué)習(xí)單上修改自己的假想記錄：從現(xiàn)代鳥照片上觀察胸骨是凸起的，推測該鳥胸骨是凸起的。

開展小學(xué)科學(xué)探究教學(xué)，學(xué)習(xí)單是非常重要和必要的。學(xué)生可以根據(jù)學(xué)習(xí)單提高實驗效率，同時，將實驗過程中的現(xiàn)象與發(fā)現(xiàn)及時記錄下來，這也為后面的交流提供了條件。在教學(xué)中，全息交互協(xié)作終端將學(xué)生思維過程呈現(xiàn)出來，結(jié)合學(xué)習(xí)單的記錄和呈現(xiàn)，幫助學(xué)生在假想古鳥過程中進行觀察、比較后，運用聯(lián)想和推理的方法，有依有據(jù)地表達自己的思考過程，提高邏輯思維能力，這也說明科學(xué)教學(xué)終結(jié)于“論證”，而非單純的“概念獲得”。

四、推動研討交流

在科學(xué)探究活動中，筆者要求學(xué)生表達自己的想法，分享自己的觀點。表達與交流往往貫穿整個探究活動。人們常說，交流是“出聲的思維”，在表達與交流中，學(xué)生的論辯無疑是思維碰撞最激烈的部分，交流的內(nèi)容與程度往往體現(xiàn)探究及其思維的廣度與深度。

例如，在“化石帶給我們的信息”一課的論辯式交流中，第1組學(xué)生先假想古鳥的生活環(huán)境是森林，從化石上分析，腿的結(jié)構(gòu)很難分辨是粗壯有力還是纖細修長的。他們查閱平板電腦中的資料，了解森林環(huán)境中鳥腿的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)森林中的鳥的腿粗壯有力，以抓住樹干。第2組學(xué)生認為，古鳥的腿應(yīng)該是纖細輕盈的，這樣有利于古鳥在森林中飛行，推理的依據(jù)也是參考了平板電腦中鳥的圖片和視頻，發(fā)現(xiàn)森林環(huán)境中鳥的腿不是粗壯的。

在學(xué)生借助全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端，根據(jù)自己的假想對古鳥進行復(fù)原并檢測古鳥在假想的環(huán)境中能否生存的過程中，筆者采取“研討—交流”的教學(xué)策略，讓學(xué)生先在小組內(nèi)討論，進行初步推理，然后在全班范圍內(nèi)交流，敘述思維過程和結(jié)果。學(xué)生在不斷地尋找證據(jù)讓同伴信服自己的推理的交流論辯過程中，不斷修改和調(diào)整自己對古鳥身體結(jié)構(gòu)的假想結(jié)果。

學(xué)生談自己的所見所想，也使其他學(xué)生有機會就這些解釋提出疑問，審查證據(jù)，挑出邏輯錯誤，指出解釋中有悖于事實證據(jù)的地方，或者就相同的觀察提出不同解釋。學(xué)生闡述各自對問題的解釋，能夠引發(fā)新的問題，有助于學(xué)生將實驗證據(jù)、已有的科學(xué)知識和他們所提出的解釋三者之間更緊密地聯(lián)系起來。最終，學(xué)生能解決彼此觀點中的矛盾，鞏固以論證為基礎(chǔ)的結(jié)論。同時，學(xué)生之間的評價和爭論會使他們明白別人可以有不同的解釋，有助于他們擺脫自我中心的思維傾向;學(xué)生之間的互相質(zhì)疑，其觀點的對立及相互指出對方的邏輯矛盾，可以更好地引發(fā)自我反思，深化各自的認識;學(xué)生之間的交流、爭議、意見綜合有助于激發(fā)彼此的靈感，促進建構(gòu)新的假設(shè)并實現(xiàn)更深層次理解。

五、全息終端應(yīng)用展望

隨著全息交互協(xié)作終端在科學(xué)教學(xué)中不斷應(yīng)用，技術(shù)賦能教學(xué)，教學(xué)中如何將技術(shù)與教學(xué)融合、如何以學(xué)生為中心、如何提升學(xué)生的思維活動……教師需要應(yīng)對各種挑戰(zhàn)。

為學(xué)生創(chuàng)造思考機會，引導(dǎo)學(xué)生像科學(xué)家那樣思考并解決問題，全息交互學(xué)習(xí)終端的應(yīng)用助力思維可視化具有獨特優(yōu)勢。教師在利用全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端等技術(shù)設(shè)備時，要充分考慮學(xué)生的認知特點、思維發(fā)展特點，多角度綜合考慮設(shè)計教學(xué)，逐步實現(xiàn)全息技術(shù)支持下的科學(xué)教學(xué)變革。

全息交互學(xué)習(xí)終端助力思維可視化，為教師真正了解學(xué)生的思考內(nèi)容和思考方法打開了一扇窗，幫助教師了解學(xué)生的見解和錯誤。全息交互協(xié)作終端與教學(xué)深度融合有利于培養(yǎng)學(xué)生“思考、自主學(xué)習(xí)和創(chuàng)新”的高階思維能力。教師要引導(dǎo)學(xué)生學(xué)會學(xué)習(xí)，提高他們自主學(xué)習(xí)、獨立思考、分析與解決實際問題的能力。

互聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)時代，全息技術(shù)在科學(xué)教學(xué)的探索與實踐會不斷拓展。例如，教師可以在云盤上建立資料庫，讓學(xué)生自行從資料庫中獲取資料，完成個性化、自主設(shè)計的相關(guān)探究活動。學(xué)生在探究時，觀察了什么、按什么路徑思考、思考的結(jié)果是什么等數(shù)據(jù)如果都能應(yīng)用信息技術(shù)傳到云端，并反饋給教師操作端，教師就能實時了解每個學(xué)生的思考點，及時調(diào)整課堂教學(xué)。通過互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)多臺機器數(shù)據(jù)共享，將極大地賦能教與學(xué)，一方面教師能看到學(xué)生的研究進程，另一方面學(xué)生之間通過數(shù)據(jù)傳輸可以互相了解學(xué)習(xí)過程，相互學(xué)習(xí)和啟發(fā)，提升分析和評價能力。

隨著信息技術(shù)不斷發(fā)展，全息交互與教育教學(xué)的聯(lián)系會越來越緊密，在變革教學(xué)方式、為課堂創(chuàng)造出更多的靈感和活力等方面將會有更多的貢獻。

注：本文系全國教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2019年度教育部重點課題“中小學(xué)智能實驗教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用實踐研究”（DCA190327）的子課題“全息交互協(xié)作學(xué)習(xí)終端支持下小學(xué)科學(xué)生命領(lǐng)域教學(xué)資源開發(fā)與應(yīng)用研究”（DCA190327-11003）（主持人王澎）和子課題“全息交互協(xié)作終端發(fā)展EEC教學(xué)模式的育人研究”（DCA190327-11001）（主持人路虹劍）的研究成果。

參考文獻

[1] 溫寒江.思維的全面發(fā)展與中小學(xué)創(chuàng)新能力培養(yǎng)[M].北京：教育科學(xué)出版社，2015.

（作者王澎系北京市東城區(qū)和平里第九小學(xué)教師;路虹劍系北京市東城區(qū)教師研修中心教研員）

責(zé)任編輯：祝元志